dwm1000的室内定位系统研究(附件)【字数：15557】
摘 要一般常用的GPS在室外虽然可以取得良好的定位效果,然而其信号无法穿透建筑物,在室内难以发挥准确的定位功能。为了解决室内环境下的定位问题,不断出现了诸如蓝牙、超声波和射频（RFID）等技术,但上述几种定位技术无论在定位精度还是系统功耗等方面并不能令人满意。本文系统研究了超宽带(Ultra Wide Band UWB)定位技术 ，超宽带技术作为无线通信领域的新兴技术，以其传输速率高、抗干扰能力强、功耗小、隐蔽性好和抗多径衰落性能良好等优点，尤其是在室内定位方面具有其他通信技术无可比拟的优势。本课题从室内高精度定位的需求出发，设计出一种低成本低复杂度的超宽带定位系统，并对复杂环境下的室内定位中会遇到的问题进行研究解决，具体研究内容包括如下几个方面一、基站位置的不同即DWM1000芯片的位置数据，是否影响精准定位。二、改变主基站的移动速度，是否会影响定位的数据差。三、变更数据的运算方法，是否能够起到更加精准的定位。
目 录
第一章 绪论 2
1.1研究背景及意义 2
1.2国内外定位研究现状 3
1.3论文的主要内容与成果 4
第二章 UWB室内定位技术 5
2.1 UWB概述 5
2.2 UWB定位技术 5
2.3 UWB的特性及应用 6
2.4 DW1000定位芯片 7
2.4.1 UWB定位原理 8
2.4.2 UWB定位精度的校准 10
2.4.3 UWB定位精度的影响因素 13
2.5 定位算法 13
2.5.1 定位误差分析 15
第三章 定位数据的计算方法 16
3.1数据的测量和校准 16
3.1.1 加速度计和陀螺仪 16
3.1.2 电子罗盘 16
3.2 姿态跟踪算法 17
3.2.1 数字滤波 17
3.2.2 四元数、欧拉角 18
3.2.3 姿态角的轴向表示 19
3.2.4 位置、速度信息的获取 20
3.3误差分析 20
第四章 定位系统硬件电路设计 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
1
4.1 主要硬件方案的选择 21
4.1.1 32位微处理器STM32芯片的电路设计 22
4.1.2 电源的电路设计 23
4.1.3 DWM100芯片的电路设计 23
4.2 数据观察和传输的方案选择 24
4.3 LED灯的现象 24
4.4 PCB制图 24
第五章 UWB定位系统软件设计 26
5.1 UCOSIII 操作系统 26
5.2递推平均滤波算法 27
5.3 基站的安装 27
5.4 DWM1000 芯片的指令 27
第六章 研究结果与系统的实现 29
6.1定位系统研究概述 29
6.2 测距数据分析 29
6.3 定位数据分析 30
6.4上位机 32
结束语 33
致 谢 34
参考文献 35
附录A：硬件原理图 36
附录B：主要程序代码 37
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
生活中人们对导航及定位需求逐渐提高，精确度高的室内定位技术越来越成为人们关注和研究的重点。仅仅用于室外定位导航的GPS已经无法满足要求，室内定位技术孕育而生，Indoor positioning system的O2O模式可以推送附近商品信息或是机场、车站等公共服务场所的定位导航，在大型商场我们可以更快速的找到自己需要的商品，在车机场，我们再也不会迷失方向。室内目前采用的定位主要有红外、蓝牙、WIFI、Ibeacon、LiFi等技术，这些技术在特定的条件可以取得较好的定位，但是这些室内定位技术都有着缺陷，一是定位精度比较低，二是定位环境要求高，在特定的环境下可能会不适用，缺少的是对恶劣环境下的精确定位这一要求。
基于DWM1000芯片的超宽带定位技术（ultrawideband UWB）和传统的定位技术相比而言，超宽带定位技术最大的优势在于具有超高的定位精度，定位精度可达到厘米级精度。
本课题就是基于DWM1000 的室内定位系统进行研究的。。
1.2国内外定位研究现状
目前的国内外的室内定位技术大多基于三个方面的基本原理，一是基于接收信号强度（RSSI）的定位，这种定位建立在理论的信号衰减模型上，受环境因素干扰，定位精度较差，常用的信号有wifi、iBeacon、Lifi等；二是基于基站的测距定位，通过信号到达时间来定位，为获得准确的直线距离，必须选用绕射能力差、抗多径干扰的高频信号，定位精度较高，这类技术常用的信号有：超声波、激光、UWB等； 三是基于惯性传感器的自主导航定位技术，这类导航定位贴近我们生活的就是智能手机里的计步器的功能，还有就是现在GPS导航精度比以前高了很多，这也是手机内部的惯性导航系统起到了校准的左右。下面将介绍基于这三种室内定位原理的相关技术及国内外发展现状。
ibeacon的室内定位技术
iBeacon可以说蓝牙技术的兄弟，相比蓝牙它并不是简单的升级，降低功耗，为了降低功耗，底层协议也不惜改变了，与传统的蓝牙已经不兼容，主要表现为允许传输的数据量大大减少，已经不能像传统蓝牙一样进行多媒体的视频传输，这一改变对于室内定位来说是必要的。这种定位技术的最大优点是低功耗，一颗CR2302电池可让设备工作23年的时间，大大减少了设备的维护成本。其定位精度的提高可采用采集定位场所特征点信号强度的方法进行匹配校准，通常称为指纹定位，只是前期投入较大，后期的使用和维护还是很方便的；也可采用增加ibeacon设备的方法提高精度。无论采用哪种校准方法，它的定位精度都不会太高，最高可达到35米。北京智慧图科技有限责任公司致力于iBeacon的微位置定位系统，精度已经达到亚米级，基站与用户手机的交互范围可达到50米。
WiFi的室内定位技术：
其定位原理与iBeacon相同，只不过WiFi的覆盖面更广，我们可能不需要架设基站，就可以通过采集路由器的位置信息就可以实现定位了。事实上，谷歌地图、高德地图已经在满大街的开着车采集信号了。这种定位精度的要求并不高，只为了与GPS的地图结合，让用户更准确的找到目的地。相比功耗，就无法与iBeacon媲美了，功耗高，其信号强度就会大一点，信号传输距离会提高，从这个角度而言，定位精度会比iBeacon要高些。
相比其他室内定位技术而言，WiFi具有得天独厚的两大优势，开发周期短，适用性广。因为目前可以说是WiFi统治的互联网世界，对于商场、百货店等大型公共型服务场所，想装设一个WiFi定位系统可以说是很快的，基站（路由器）已经有了，我们只要开着信号车采集他们的位置信息存入数据库，只要让软件工程师在云端做个定位算法，开发个用户APP就好了，成本低，上市快，精度并不比iBeacon的低。
目 录
第一章 绪论 2
1.1研究背景及意义 2
1.2国内外定位研究现状 3
1.3论文的主要内容与成果 4
第二章 UWB室内定位技术 5
2.1 UWB概述 5
2.2 UWB定位技术 5
2.3 UWB的特性及应用 6
2.4 DW1000定位芯片 7
2.4.1 UWB定位原理 8
2.4.2 UWB定位精度的校准 10
2.4.3 UWB定位精度的影响因素 13
2.5 定位算法 13
2.5.1 定位误差分析 15
第三章 定位数据的计算方法 16
3.1数据的测量和校准 16
3.1.1 加速度计和陀螺仪 16
3.1.2 电子罗盘 16
3.2 姿态跟踪算法 17
3.2.1 数字滤波 17
3.2.2 四元数、欧拉角 18
3.2.3 姿态角的轴向表示 19
3.2.4 位置、速度信息的获取 20
3.3误差分析 20
第四章 定位系统硬件电路设计 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
1
4.1 主要硬件方案的选择 21
4.1.1 32位微处理器STM32芯片的电路设计 22
4.1.2 电源的电路设计 23
4.1.3 DWM100芯片的电路设计 23
4.2 数据观察和传输的方案选择 24
4.3 LED灯的现象 24
4.4 PCB制图 24
第五章 UWB定位系统软件设计 26
5.1 UCOSIII 操作系统 26
5.2递推平均滤波算法 27
5.3 基站的安装 27
5.4 DWM1000 芯片的指令 27
第六章 研究结果与系统的实现 29
6.1定位系统研究概述 29
6.2 测距数据分析 29
6.3 定位数据分析 30
6.4上位机 32
结束语 33
致 谢 34
参考文献 35
附录A：硬件原理图 36
附录B：主要程序代码 37
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
生活中人们对导航及定位需求逐渐提高，精确度高的室内定位技术越来越成为人们关注和研究的重点。仅仅用于室外定位导航的GPS已经无法满足要求，室内定位技术孕育而生，Indoor positioning system的O2O模式可以推送附近商品信息或是机场、车站等公共服务场所的定位导航，在大型商场我们可以更快速的找到自己需要的商品，在车机场，我们再也不会迷失方向。室内目前采用的定位主要有红外、蓝牙、WIFI、Ibeacon、LiFi等技术，这些技术在特定的条件可以取得较好的定位，但是这些室内定位技术都有着缺陷，一是定位精度比较低，二是定位环境要求高，在特定的环境下可能会不适用，缺少的是对恶劣环境下的精确定位这一要求。
基于DWM1000芯片的超宽带定位技术（ultrawideband UWB）和传统的定位技术相比而言，超宽带定位技术最大的优势在于具有超高的定位精度，定位精度可达到厘米级精度。
本课题就是基于DWM1000 的室内定位系统进行研究的。。
1.2国内外定位研究现状
目前的国内外的室内定位技术大多基于三个方面的基本原理，一是基于接收信号强度（RSSI）的定位，这种定位建立在理论的信号衰减模型上，受环境因素干扰，定位精度较差，常用的信号有wifi、iBeacon、Lifi等；二是基于基站的测距定位，通过信号到达时间来定位，为获得准确的直线距离，必须选用绕射能力差、抗多径干扰的高频信号，定位精度较高，这类技术常用的信号有：超声波、激光、UWB等； 三是基于惯性传感器的自主导航定位技术，这类导航定位贴近我们生活的就是智能手机里的计步器的功能，还有就是现在GPS导航精度比以前高了很多，这也是手机内部的惯性导航系统起到了校准的左右。下面将介绍基于这三种室内定位原理的相关技术及国内外发展现状。
ibeacon的室内定位技术
iBeacon可以说蓝牙技术的兄弟，相比蓝牙它并不是简单的升级，降低功耗，为了降低功耗，底层协议也不惜改变了，与传统的蓝牙已经不兼容，主要表现为允许传输的数据量大大减少，已经不能像传统蓝牙一样进行多媒体的视频传输，这一改变对于室内定位来说是必要的。这种定位技术的最大优点是低功耗，一颗CR2302电池可让设备工作23年的时间，大大减少了设备的维护成本。其定位精度的提高可采用采集定位场所特征点信号强度的方法进行匹配校准，通常称为指纹定位，只是前期投入较大，后期的使用和维护还是很方便的；也可采用增加ibeacon设备的方法提高精度。无论采用哪种校准方法，它的定位精度都不会太高，最高可达到35米。北京智慧图科技有限责任公司致力于iBeacon的微位置定位系统，精度已经达到亚米级，基站与用户手机的交互范围可达到50米。
WiFi的室内定位技术：
其定位原理与iBeacon相同，只不过WiFi的覆盖面更广，我们可能不需要架设基站，就可以通过采集路由器的位置信息就可以实现定位了。事实上，谷歌地图、高德地图已经在满大街的开着车采集信号了。这种定位精度的要求并不高，只为了与GPS的地图结合，让用户更准确的找到目的地。相比功耗，就无法与iBeacon媲美了，功耗高，其信号强度就会大一点，信号传输距离会提高，从这个角度而言，定位精度会比iBeacon要高些。
相比其他室内定位技术而言，WiFi具有得天独厚的两大优势，开发周期短，适用性广。因为目前可以说是WiFi统治的互联网世界，对于商场、百货店等大型公共型服务场所，想装设一个WiFi定位系统可以说是很快的，基站（路由器）已经有了，我们只要开着信号车采集他们的位置信息存入数据库，只要让软件工程师在云端做个定位算法，开发个用户APP就好了，成本低，上市快，精度并不比iBeacon的低。
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